doctoralThesis
Síntese, caracterização e atividade fotocatalítica na região de luz visível de fotocatalisadores a base titânia comercial (P25 Evonik) e ferro
Autor
MORAES, Cristiane Marcelina de
Institución
Resumen
A fotocatálise heterogênea é um Processo de Oxidação Avançada (POA) que envolve a ativação de um semicondutor pela radiação ultravioleta (UV). Para aumentar a eficiência do processo, impregnado o dióxido de titânio (TiO₂) com metal para assim, estender a banda de absorção para a região do visível (λ= 400 - 700nm) levando a otimização do processo. A fonte de energia para a ativação do catalisador, que neste caso, foi utilizado luz (LED) (λ=495-575 nm, FLC 1 W) e uma lâmpada tubular verde (TUV 18 W) como fonte de radiação visível, é uma eficiente luz para fotocatálise. Os principais objetivos deste trabalho foram sintetizar e caracterizar fotocatalisadores à base de TiO₂ dopado com ferro (Fe³⁺) com banda de absorção estendida para a região do visível e também, avaliar a potencialidade da atividade fotocatalítica do catalisador desenvolvido utilizando como poluente modelo o dietilftalato (DEF). Estudou-se a degradação fotocatalítica do DEF em fase aquosa, sob luz visível usando-se o TiO₂ (P25 Evonik) dopado com Fe³⁺ sabendo-se que o Fe³⁺ é proveniente do Cloreto Férrico (FeCl₃.6H₂O). Foi realizado um planejamento experimental fatorial completo, nível 2 e 3 variáveis, 2³ + 3, totalizando 11 ensaios, realizados em triplicata, considerando os efeitos dos seguintes fatores: Temperatura, tempo e percentual molar. Utilizando para o preparo do catalisador o método de Via Úmida, na concentração de partida de (8, 10 e 12 %). Calcinou-se o material utilizando uma rampa 10º C.min⁻¹ as temperaturas de calcinação foram (500, 700 e 900º C), durante (3, 4 e 5 h). Os catalisadores dopados P25 Evonik, foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), área superficial BET, UV-VIS com Refletância Difusa, Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Catalisadores estudados (Fcat-A, Fcat-B, Fcat-C, Fcat-D, Fcat-E, Fcat-F, Fcat-G, Fcat-H, Fcat-I, Fcat-J, Fcat-L, Fcat-M, Fcat-N, Fcat-O e Fcat-P) no qual absorvem fortemente na região do visível, com band gap de (3,10, 3,11, 3,02, 2,98, 3,20 2,98, 3,20, 3,15, 2,00, 2,16, 2,01, 2,07, 2,03, 2,12 2,06, 2,10, 2,05 eV) os tamanhos dos cristalitos (31,00, 29,00, 31,00, 60,00, 61,00 46,00, 32,00, 68,00, 34,00, 68,00, 34,00, 64,00, 33,00, 32,00 nm). O modelo cinético abordado foi o de Langmuir – Hinshelwood (L-H) de primeira ordem geralmente utilizado na degradação de compostos orgânicos. Das concentrações estudadas para a degradação de DEF (0,45, 1,35 e 2,25 mM), a concentração de 0,45 mM apresentou melhor entre as demais, os seguintes catalisadores Fct-G e Fcat-H com 0,53 e 0,60 % na temperatura de 500º C já para 900º C o Fcat-H e Fcat-I 0,55 %. Para 1,35 mM os mesmos obtiveram 0,61 e 0,80 % enquanto que o Fcat-I e o Fcat-J em torno de 0,77 e 0,70 % isso para valores Normalizados, respectivamente. O processo de degradação fotocatalítica do DEF em presença do TiO₂- Fe³⁺/UV usando luz LED de cor verde (1 W, 25º C, pH 8,250 rpm) no visível para os seguintes catalisadores que apresentaram os melhores rendimentos globais entre os catalisadores estudados Fcat-G, Fcat-I e Fcat-J, rendimentos de (49,4 45,0 e 39,0 %). Heterogeneous photocatalysis is an Advanced Oxidation Process (POA) that involves the activation of a semiconductor by ultraviolet (UV) radiation. To increase process efficiency, impregnate titanium dioxide (TiO2) with metal to thereby extend the absorption band to the visible region (λ = 400 - 700nm) leading to optimization of the process. The energy source for the activation of the catalyst, which in this case was used light (LED) (λ = 495-575 nm, FLC 1W) and a green tubular lamp (TUV 18W) as a visible radiation source, is an efficient light for photocatalysis. The main objectives of this work were to synthesize and characterize photocatalysts based on iron (Fe³⁺) doped with absorption band extended to the visible region and also to evaluate the potential of photocatalytic activity of the catalyst developed using as a pollutant model diethyl phthalate (DEF ). The photocatalytic degradation of the DEF in the aqueous phase was studied under visible light using Ti³⁺ (P25 Evonik) doped with Fe³⁺ being derived from Ferric Chloride (FeCl₃.6H₂O). A complete factorial planning, level 2 and 3 variables, 2³+ 3, totaling 11 trials were carried out in triplicate, considering the effects of the following factors: Temperature, time and molar percentage. Using the wet Method, in the starting concentration of (8, 10 and 12 %) for the preparation of the catalyst. The material was calcined using a 10°C.min⁻¹ ramp the calcination temperatures were (500, 700 and 900°C) for (3, 4 and 5 h). Evonik P25 doped catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), BET surface area, UV-VIS with diffuse reflectance, infrared with Fourier Transform (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Fcat-A, Fcat-B, Fcat-C, Fcat-D, Fcat-E, Fcat-F, Fcat-G, Fcat-H,Fcat-I, Fcat-J, Fcat-L, Fcat-M, Fcat-N, Fcat-O and Fcat-P) in which they strongly absorb in the visible region, with band gap of (3,10, 3,11, 3,02, 2,98, 3,20, 3.20, 3.15, 2.00, 2.16, 2.01, 2.07, 2.03, 2.12, 2.06, 2.10, 2.05 eV) the sizes of crystallites (31 , 0.00, 29.00, 31.00, 60.00, 61.00 46.00, 32.00, 68.00, 34.00, 68.00, 34.00, 64.00, 33.00, 32.00 nm). The kinetic model was Langmuir - Hinshelwood (L - H) of the first order generally used in the degradation of organic compounds. From the concentrations studied for the degradation of (0.45, 1.35 and 2.25 mM) DEF, the 0.45 mM concentration showed the best among others, the following Fct-G and Fcat-H catalysts with 0.53 and 0.60 % at 50° C and at 900°C Fcat-H and 0.55 % Fcat-I. For 1.35 mM they obtained 0.61 and 0.80 % whereas Fcat-I and Fcat-J around 0.77 and 0.70% did so for Normalized values, respectively. The photocatalytic degradation process of the DEF in the presence of TiO₂-Fe3³⁺ / UV using green LED light (1 W, 25°C, pH 8, 250 rpm) was not visible for the following catalysts which showed the best overall yields between the catalysts studied Fcat-G, Fcat-I and Fcat-J, yields of (49.4 45.0 and 39.0 %).